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脈沖發(fā)動機為導(dǎo)彈攔截器提供軌姿控的動力，是導(dǎo)彈攔截器的重要組成部件。由于導(dǎo)彈攔截器需要高速飛行和快速響應(yīng)，所以要求脈沖發(fā)動機質(zhì)量輕、能量高，為此，設(shè)計了一種以高強度鋁合金為內(nèi)襯(以下簡稱鋁內(nèi)襯)，以纏繞纖維為外層(以下簡稱纖維外層)的脈沖發(fā)動機復(fù)合殼體結(jié)構(gòu)。本研究的目的是要對這種復(fù)合結(jié)構(gòu)進行有限元分析和優(yōu)化設(shè)計，以其在保證結(jié)構(gòu)強度的情況下，盡量減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量。文獻對復(fù)合材料的強度分析主要采用了殼單元，對復(fù)合結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計是分步進行的，而本研究對復(fù)合材料和復(fù)合結(jié)構(gòu)的強度分析則是采用了軸對稱結(jié)構(gòu)的六節(jié)點三角形等參數(shù)單元，對不同材料層復(fù)合結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計是一步整體進行的。三角形單元較殼單元簡單，并能很好地處理復(fù)雜的幾何圖形結(jié)構(gòu)，而將復(fù)合結(jié)構(gòu)整體優(yōu)化設(shè)計更能提高優(yōu)化效率。本研究采用圖形軟件建立幾何模型，再轉(zhuǎn)入ANSYS有限元軟件中進行強度計算，并進行優(yōu)化設(shè)計。
本研究采用的ANSYS軟件是一種應(yīng)用廣泛的通用有限元工程分析軟件。它具有功能完備的預(yù)處理模塊和后處理模塊。在ANSYS軟件的優(yōu)化設(shè)計模塊中，提供了單步運行法、隨機搜索法、等步長搜索法、最有梯度法、零階方法和一階方法等優(yōu)化方法，而基于目標函數(shù)對設(shè)計變量敏感程度的一階方法，則更適合于精確的優(yōu)化分析。
脈沖發(fā)動機主要由燃燒室復(fù)合殼體、點火具、噴管和藥柱等零部件組成，其中承受燃燒室壓力的關(guān)鍵部件是燃燒室復(fù)合殼體。復(fù)合殼體的內(nèi)襯是一種高強度的鋁合金，外層是由碳纖維加環(huán)氧樹脂纏繞而成的。脈沖發(fā)動機安裝在高強度鋁合金的軌姿控艙體中。建模時將脈沖發(fā)動機簡化成圖所示的軸對稱結(jié)構(gòu)，點火具用實心的高強度鋁合金模擬體代替。徑向位移限制套筒則是對軌姿控艙體的模擬簡化。由于復(fù)合殼體的過渡區(qū)域主要是由弧形構(gòu)成的，所以選擇了精度較高的六節(jié)點等參數(shù)三角形單元。為了方便下一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，離散化的原則是按照規(guī)定的單元邊長自動進行的。施加在脈沖發(fā)動機復(fù)合殼體上的載荷主要是固體裝藥燃燒產(chǎn)生的高壓燃氣壓力。
由于脈沖發(fā)動機工作時間極短，所以在強度分析時忽略燃氣溫度的影響，僅將燃燒室的工作壓力假設(shè)為載荷。安裝幾十個甚至百余個脈沖發(fā)動機的軌姿控艙體限制了脈沖發(fā)動機復(fù)合殼體的局部膨脹，故將徑向的零位移設(shè)在了套筒的外側(cè)。考慮到脈沖發(fā)動機是在噴管位置處固定在軌姿控艙體上的，所以將軸向的零位移設(shè)在了復(fù)合殼體和徑向位移限制套筒的下部。該復(fù)合殼體所用的鋁內(nèi)襯材料是各向同性的，纖維外層的物理性能是各向異性的，具體的物性參數(shù)見表。表中的E是彈性模量；下標1，2和3分別表示徑向、軸向和環(huán)向；v是泊松比；G是剪切模量；P是材料密度；σ是材料強度極限，對于纖維外層，指的是環(huán)向的材料強度極限。考慮到所用材料的安全性，本研究將燃燒室臨界壓力載荷取為60MPa。徑向位移約束套筒厚度對復(fù)合殼體的最大應(yīng)力有影響。對于纖維外層，其最大應(yīng)力是環(huán)向應(yīng)力；對于鋁內(nèi)襯，其最大應(yīng)力是Von Mises應(yīng)力。計算條件：最大單元邊長是0.25mm、壓力載荷是60MPa。當徑向位移約束套筒厚度在0~20mm范圍內(nèi)變動時，纖維外層最大應(yīng)力的絕對差約12MPa，相對差約100；鋁內(nèi)襯的最大應(yīng)力沒有變化。計算結(jié)果表明，徑向位移約束套筒厚度對復(fù)合殼體的最大應(yīng)力影響很小，可以忽略不計。所以可取徑向位移約束套筒的厚度，最后，可將有限元模型離散為12003個節(jié)點，5740個單元。
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